420 vs 440A – Composição, Tratamento Térmico, Propriedades e Aplicações
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Introdução
AISI 420 e AISI 440A são aços inoxidáveis martensíticos comumente considerados onde um equilíbrio entre resistência à corrosão, dureza e custo é necessário. Engenheiros, gerentes de compras e planejadores de manufatura enfrentam rotineiramente um trade-off: graus de menor liga que são mais fáceis de formar e soldar versus graus de maior carbono e maior cromo que alcançam maior endurecimento e retenção de fio. Os contextos típicos de decisão incluem design de cutelaria e lâminas, componentes de válvulas e bombas, anéis de rolamento e componentes que requerem resistência ao desgaste localizada.
A principal diferença prática entre os dois é um trade-off entre dureza/resistência ao desgaste alcançáveis e tenacidade/ductilidade de serviço retida: 440A é formulado para atingir maior dureza e resistência ao desgaste após tratamento térmico, enquanto 420 proporciona tenacidade relativamente melhor, processamento mais simples e melhor soldabilidade e formabilidade em muitas rotas de produção. Como ambos são graus inoxidáveis martensíticos, eles são frequentemente comparados para aplicações de ferramentas e cutelaria de médio alcance.
1. Normas e Designações
- 420: Comumente referenciado sob AISI/ASTM/UNS como AISI 420 (UNS S42000); graus equivalentes aparecem nas listas EN e JIS (frequentemente sob designações de aço inoxidável martensítico). Classificado como aço inoxidável martensítico.
- 440A: Um membro da família 440 (AISI 440A, UNS S44001), também representado em várias normas nacionais. Classificado como aço inoxidável martensítico.
Resumo da categoria: - 420: Aço inoxidável martensítico (aço para ferramentas/cutelo inoxidável). - 440A: Aço inoxidável martensítico (grau de aço para ferramentas/cutelo inoxidável de maior carbono e maior cromo).
2. Composição Química e Estratégia de Liga
A tabela abaixo mostra intervalos de composição típicos para os graus comerciais 420 e 440A; os intervalos variam por norma e fornecedor. Os valores são percentuais em peso.
| Elemento | 420 (intervalo típico, % em peso) | 440A (intervalo típico, % em peso) |
|---|---|---|
| C | 0,15 – 0,40 | 0,60 – 0,75 |
| Mn | ≤ 1,0 | ≤ 1,0 |
| Si | ≤ 1,0 | ≤ 1,0 |
| P | ≤ 0,04 | ≤ 0,04 |
| S | ≤ 0,03 | ≤ 0,03 |
| Cr | 12,0 – 14,0 | 16,0 – 18,0 |
| Ni | — (geralmente traço) | — (geralmente traço) |
| Mo | — (tipicamente nenhum) | — (tipicamente nenhum) |
| V | — (tipicamente nenhum) | — (tipicamente nenhum) |
| Nb / Ti / B / N | traço / não especificado | traço / não especificado |
Como a liga afeta o desempenho: - Carbono: Principal fator de endurecimento e dureza martensítica alcançável. Maior carbono (440A) permite maior dureza após o resfriamento e melhor retenção de fio, mas à custa de tenacidade e soldabilidade. - Cromo: Proporciona resistência à corrosão e contribui para o endurecimento através da formação de carbonetos. O maior teor de Cr do 440A proporciona um comportamento passivo um pouco melhor em muitos ambientes. - Mn, Si, elementos traço: Influenciam a desoxidação, o comportamento do grão e o endurecimento, mas são secundários em comparação com C e Cr nesses graus.
3. Microestrutura e Resposta ao Tratamento Térmico
Microestruturas típicas: - Na condição recozida, ambos os graus são amplamente ferríticos/pearlíticos dependendo da química exata e do processamento, mas são mais úteis quando transformados em martensita através do tratamento térmico. - Após recozimento e resfriamento, ambos formam martensita mais carbonetos de cromo. O 440A produz mais e carbonetos mais duros devido ao maior C e Cr, aumentando a resistência ao desgaste. - O revenido produz martensita revenida com distribuição de carbonetos e resposta ao revenido dependente do teor de carbono.
Rotas de tratamento térmico e efeitos: - Recozimento: Condição macia e usinável para conformação e usinagem (ferrite/pearlite). - Endurecimento (austenitização → resfriamento → revenido): A temperatura de austenitização e o meio de resfriamento controlam a quantidade de austenita retida, dissolução de carbonetos e dureza final. O 440A, com seu maior carbono, alcança maior dureza para um determinado cronograma de austenitização/revenido, mas é mais propenso a trincas devido a tensões de resfriamento. - Normalização: Usado para refinar o tamanho do grão antes do endurecimento final; benéfico para tenacidade. - Processamento termo-mecânico: Menos comumente aplicado do que para aços estruturais, mas forjamento controlado e resfriamento controlado podem melhorar as propriedades ao controlar o tamanho do grão e a dispersão de carbonetos.
Nota prática: temperaturas de revenido precisas devem ser selecionadas para equilibrar dureza e tenacidade; o 440A de maior carbono requer revenido cuidadoso para evitar fragilização enquanto preserva a dureza.
4. Propriedades Mecânicas
A tabela a seguir fornece comparações qualitativas a típicas. Os valores reais dependem fortemente do tratamento térmico e da forma do produto.
| Propriedade | 420 (típico) | 440A (típico) |
|---|---|---|
| Resistência à tração (MPa) | Moderada — depende do revenido; tipicamente inferior ao 440A | Maior — máximos alcançáveis superam 420 quando totalmente endurecido |
| Resistência ao escoamento (MPa) | Moderada | Maior em condições de alta dureza |
| Alongamento (%) | Maior (melhor ductilidade em estado equivalente) | Menor (ductilidade reduzida quando endurecido) |
| Tenacidade ao impacto | Melhor tenacidade retida em dureza comparável | Menor tenacidade em dureza comparável; mais frágil quando totalmente endurecido |
| Dureza (HRC, revenido) | Tipicamente até ~48–52 HRC dependendo de C e processo | Tipicamente maior; 50 e poucos HRC alcançáveis com tratamento térmico correto |
Interpretação: - O 440A geralmente alcança maior resistência à tração e maior dureza máxima devido ao maior carbono e cromo. Isso proporciona melhor desempenho em desgaste e retenção de fio. - O 420 retém tenacidade e resistência ao impacto relativamente melhores em níveis de dureza moderados, tornando-o menos propenso a falhas catastróficas sob cargas de choque ou flexão.
5. Soldabilidade
Considerações de soldabilidade para aços inoxidáveis martensíticos focam no teor de carbono, endurecimento e microalotamento.
Fórmulas preditivas importantes comumente usadas (interprete qualitativamente aqui): - Equivalente de carbono (IIW): $$CE_{IIW} = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$$ - Pcm (parâmetro de soldabilidade): $$P_{cm} = C + \frac{Si}{30} + \frac{Mn+Cu}{20} + \frac{Cr+Mo+V}{10} + \frac{Ni}{40} + \frac{Nb}{50} + \frac{Ti}{30} + \frac{B}{1000}$$
Interpretação qualitativa: - Maior $CE_{IIW}$ ou $P_{cm}$ implica maior propensão a zonas afetadas pelo calor duras e frágeis e risco de trincas após a soldagem. - O 420 tem um teor de carbono mais baixo e um índice de endurecimento inferior ao 440A, portanto, o 420 é geralmente mais fácil de soldar (com pré-aquecimento e revenido pós-soldagem conforme necessário). O maior carbono e cromo do 440A aumentam o risco de formação de martensita na ZAC e trincas, portanto, a soldagem do 440A requer controles rigorosos: pré-aquecimento, controle de temperatura entre passes, prática de baixo hidrogênio e revenido pós-soldagem para amolecer a martensita frágil. - O uso de metais de enchimento compatíveis é importante; em muitos casos, um enchimento com menor carbono ou metal de solda à base de níquel é escolhido para reduzir o risco de trincas.
6. Corrosão e Proteção de Superfície
- Ambos, 420 e 440A, são inoxidáveis em virtude do teor de cromo, mas sua resistência à corrosão é moderada em comparação com graus austeníticos (304/316). O 420 (12–14% Cr) oferece resistência aceitável em ambientes levemente corrosivos; o 440A (16–18% Cr) geralmente oferece resistência à corrosão melhorada devido ao maior cromo e filme passivo mais estável em muitos ambientes aquosos.
- PREN (número equivalente de resistência à corrosão por pite) pode ser calculado para ligas inoxidáveis que contêm Mo e N usando: $$\text{PREN} = \text{Cr} + 3,3 \times \text{Mo} + 16 \times \text{N}$$. Para 420 e 440A, Mo e N são tipicamente negligenciáveis, portanto, o PREN tem utilidade limitada.
- Proteção não inoxidável: Quando maior resistência à corrosão é necessária, tratamentos de superfície (eletrodeposição, pintura, revestimento) e proteção catódica ou galvanização são opções para equivalentes não inoxidáveis — mas para esses martensíticos, a abordagem usual é selecionar um grau inoxidável mais resistente à corrosão ou aplicar revestimentos protetores, pois a galvanização em inoxidáveis martensíticos é incomum para peças de precisão.
- Nota prática: polimento e passivação afetam significativamente o desempenho; 440A com superfícies bem polidas e passivação pode se aproximar de melhor resistência à corrosão localizada do que 420.
7. Fabricação, Usinabilidade e Formabilidade
- Usinabilidade: Na condição recozida, ambos os graus são usináveis. O 420, com menor carbono e menos precipitação de carbonetos, é geralmente mais fácil de usinar para dimensão na condição recozida. O maior carbono do 440A e a tendência à formação de carbonetos reduzem a usinabilidade, especialmente se em condição endurecida.
- Formabilidade e dobra: Ambos são limitados na conformação a frio em condição endurecida. Na condição recozida, o 420 é mais fácil de formar. O 440A requer parâmetros de conformação mais agressivos ou deve ser fornecido em condição recozida mais suave para conformação.
- Desbaste e acabamento: O 440A pode ser mais abrasivo para as ferramentas devido a partículas de carboneto mais duras após o tratamento térmico; ambos podem ser desbastados e polidos para acabamentos altos necessários para cutelaria e instrumentos cirúrgicos.
- Acabamento de superfície: Ambos respondem bem ao polimento mecânico e polimento eletroquímico. Note que a distribuição de carbonetos afeta a qualidade do polimento da borda.
8. Aplicações Típicas
| 420 — Usos Típicos | 440A — Usos Típicos |
|---|---|
| Cutelaria e facas de cozinha onde tenacidade e resistência à corrosão são necessárias a um custo moderado | Cutelaria e lâminas de faca onde a retenção de fio superior e maior dureza são priorizadas |
| Instrumentos cirúrgicos (certos tipos) e ferramentas dentais onde resistência à corrosão e formabilidade são importantes | Rolamentos, componentes de válvula e peças de desgaste que requerem maior dureza superficial |
| Eixos, fixadores e componentes de bomba em ambientes moderadamente corrosivos | Pequenos componentes de desgaste e hardware de alto desgaste onde reafilamento frequente é aceitável |
| Hardware decorativo e acessórios | Cutelaria de precisão, lâminas pequenas, molas de relógio (aplicações selecionadas) |
Racional de seleção: - Escolha 420 quando tenacidade em serviço, formabilidade e soldabilidade forem prioridades e quando resistência à corrosão moderada for suficiente. - Escolha 440A quando maior dureza e retenção de fio forem os principais fatores de design e quando maior teor de cromo for benéfico para resistência à corrosão localizada.
9. Custo e Disponibilidade
- Custo: 420 geralmente tem menor teor de liga (menos cromo) e é geralmente menos caro por quilograma do que 440A. O maior cromo do 440A e o controle mais rigoroso sobre o carbono aumentam um pouco o custo.
- Disponibilidade: Ambos estão amplamente disponíveis em barra, chapa, fita e fio de fornecedores de inox; 420 é comumente estocado para cutelaria e hardware, 440A é um inox padrão para cutelaria/rolamentos e também está comumente disponível. Formas de produto específicas (fita fina polida para acabamento de cutelaria, barras de precisão ou forjados especiais) podem ter prazos de entrega que diferem por fornecedor.
10. Resumo e Recomendação
Tabela de resumo (qualitativa):
| Característica | 420 | 440A |
|---|---|---|
| Soldabilidade | Melhor (menor C, menos endurecimento) | Menor (maior C, pré-aquecimento/PWHT frequentemente necessário) |
| Equilíbrio Força–Tenacidade | Melhor tenacidade em dureza comparável; resistência moderada | Maior dureza e resistência máxima; menor tenacidade quando endurecido |
| Custo | Menor | Maior |
| Resistência à corrosão | Moderada (12–14% Cr) | Melhor resistência à corrosão localizada (16–18% Cr) |
| Usinabilidade (recozido) | Boa | Moderada a menor (devido à formação de carbonetos) |
Conclua com recomendações diretas: - Escolha 420 se você precisar de um inoxidável martensítico que seja mais fácil de formar e soldar, ofereça um bom equilíbrio de tenacidade e resistência à corrosão a um custo mais baixo, ou quando as peças sofrerão impactos ou tensões de flexão (por exemplo: cutelaria de uso geral, eixos de carga moderada, fixadores e instrumentos cirúrgicos onde dureza extrema de fio não é necessária). - Escolha 440A se seu design prioriza maior dureza, retenção de fio e resistência ao desgaste com melhor resistência à corrosão localizada (por exemplo: facas onde a vida útil do fio é crítica, pequenos componentes de rolamento ou peças de desgaste), e você pode aceitar a necessidade de controles de tratamento térmico mais rigorosos, tenacidade reduzida e procedimentos de soldagem mais controlados.
Orientação prática final: - Sempre especifique a condição de tratamento térmico e dureza necessárias nos documentos de compra. Avalie todo o fluxo de fabricação (conformação, soldagem, tratamento térmico, acabamento) antes de selecionar o grau. Quando em dúvida sobre cargas de choque em serviço ou requisitos de soldagem, prefira o grau com maior ductilidade (420) ou consulte um metalurgista para ajustar a química/processamento para atender aos requisitos concorrentes.